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Legende: Arbeiten am Windkanal der Empa und ETH.
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Eine
typische Stadt: dicht gedrängte Häuserzeilen,
asphaltierte Strassen dazwischen, wenig Grünflächen. Ein
solches Stadtdesign führt dazu, dass sich Städte im
Vergleich zu ihrem ländlichen Umfeld stärker aufheizen,
es bilden sich so genannte Wärmeinseln. Abwärme von
Fahrzeugen und Maschinen – zum Beispiel Klimaanlagen –
heizt die Städte weiter auf, selbst nachts kühlt es kaum
merklich ab. Über Megacities wie Mexiko City und
Grossstädten wie Athen hängt zunehmend eine weithin
sichtbare Dunstglocke, da die Luft nicht ausreichend zirkuliert.
Ein solches Stadtklima kann aufgrund der hohen
Schadstoffkonzentrationen gesundheitliche Schäden
verursachen.
Städtische Bebauung muss aber nicht zwingend zu stehender Luft
führen. Ein Beispiel hierfür ist Chicago, das oft auch
«the windy city» genannt wird. Denn die Stadt am Ufer
des Michigansees kühlt selbst in heissen Sommern stets eine
angenehme Brise – allerdings erst, nachdem die Strassen der
Stadt nach dem grossen Feuer 1871 rasterartig angelegt wurden.
Seither kann der Wind vom See her kommend gut durch die
Strassenschluchten streichen. |
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Architektonische Massnahmen am Modell
überprüfen
Im 26 Meter langen und rund 4 Meter hohen Windkanal, den
die Empa zusammen mit der ETH Zürich aufgebaut hat, lassen
sich Ideen, wie Städte besser «belüftet»
werden könnten, im Massstab von ca. 1:50 bis 1:300 simulieren.
Ein Ventilator mit einem Durchmesser von 1,8 Meter und ein
Elektromotor mit 110 kW (150 PS) erzeugen in der Teststrecke Wind
mit e Maximalgeschwindigkeit von bis 90 Kilometer pro Stunde.
Allerdings geht es den Forschenden nicht darum, möglichst hohe
Windlasten zu erzeugen, um etwa eine Fassade zu testen. Sie
möchten wissen, wie Luftmassen Gebäude umströmen,
welche Geschwindigkeiten und Turbulenzen auftreten und welche
Auswirkungen dies in Bezug auf Energie, Komfort und Gesundheit hat:
Ob sich so etwa Häuser im Sommer allein durch Wind (und erst
noch gratis) kühlen lassen, wo Zugluft stören könnte
– etwa in Strassencafés – und ob sich Schadstoffe
natürlich abtransportieren lassen. |
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Lasertechnik macht Windgeschwindigkeiten mess- und
sichtbar
Anders als bei Simulationen am Computer, bei denen sich
Resultate lediglich berechnen lassen, mit entsprechenden
Unsicherheiten, erlaubt der Windkanal exakte Messungen.
Simulationen können so verifiziert und weiter verfeinert
werden, ein wichtiger Aspekt für die Forschenden.
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Gebäudemodell beleuchtet mit
Laser-Lichtschnitt.
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Der
Empa-Windkanal hat gegenüber seinen «Artgenossen»
einen weiteren Vorteil: seine ausgeklügelte Messtechnik,
bestehend aus zwei Hochgeschwindigkeitskameras und einem speziellen
Hochleistungslaser. Wo in anderen Windkanälen Luftbewegungen
aus Einzelmessungen an spezifischen Messpunkten zusammengesetzt
werden, «können wir den Luftstrom mit all seinen
Fluktuationen zeitaufgelöst sichtbar machen», sagt
Viktor Dorer, der für den Windkanal zuständige
Empa-Forscher. Damit die beiden Hochgeschwindigkeitskameras den
Luftstrom «sehen» können, werden der Luft winzige
Partikel beigefügt. Während ausgeklügelte Technik
dafür sorgt, dass diese sich gleichmässig im Luftstrom
verteilen, leuchtet sie der Speziallaser mit einem auf eine Ebene
aufgeweiteten Laserstrahl an. Zwei Bilder – im Abstand von
Millisekunden aufgenommen – machen Momentaufnahmen von
Partikelbewegungen.
Die Auswertung der Bilder erfolgt darauf am Computer. Das
Zusammenführen der 1000 Bilder, die pro Sekunde geschossen
werden, und ihre weitere Aufbereitung benötigt viel
Rechenpower. Das Resultat sieht aus wie ein Film und visualisiert
die Luftströmungen: Auf dem Computerbildschirm lassen sich
grosse und kleine Turbulenzen und Strömungsverläufe
erkennen; die verschiedenen Geschwindigkeiten werden durch
unterschiedliche Farben dargestellt.
Die Resultate nutzen beispielsweise Architekten,
Städteklimaplaner, Lufthygieniker, Gebäudeingenieure,
Entwickler und Anwender von Strömungsrechenprogrammen oder
Rechenprogrammen für die energetische Analyse von
Gebäuden. Sie eignen sich ausserdem für die Erfassung der
gegenseitigen Beeinflussung von Windturbinen.
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